專利名稱：運(yùn)行燃料電池裝置的方法及燃料電池裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種權(quán)利要求1的前序部分的運(yùn)行燃料電池裝置的方法
以及如權(quán)利要求6前序部分提出的燃料電池裝置。
帶有呈組件形式安裝的燃料電池的燃料電池裝置，特別是具有熔態(tài) 碳酸鹽燃料電池(MCFC)的燃料電池裝置的功率密度主要受限于可能的
個(gè)燃料電池中產(chǎn):的熱i也增加，如果該熱、量不再能充分排出，則也不
可能再進(jìn)一步提高功率密度。
如在有水A汽存在下，天然氣中存在的曱烷可經(jīng)催化蒸汽轉(zhuǎn)化而轉(zhuǎn)化成 氫和 一 氧化碳和二氧化碳
CH4 + H20 <-—> CO + 3H2 ， CO + H20 <—->C02 + H2。
其可以直接或間接內(nèi)轉(zhuǎn)化的形式進(jìn)行。與其中反應(yīng)在燃料電池的陽 極室進(jìn)行的直接內(nèi)轉(zhuǎn)化相反，間接內(nèi)轉(zhuǎn)化在與陽極呈熱接觸存在但與其 分開的轉(zhuǎn)化設(shè)備中進(jìn)行。間4妄內(nèi)轉(zhuǎn)化描述于"Molten carbonate fuel cell with indirect internal reforming" , Journal of Power Sources, 52 (1994)，第 41 -47頁。
其中進(jìn)行上述兩個(gè)反應(yīng)的方法也描述于埃爾蘭根的埃爾蘭根-紐 倫堡大學(xué)技術(shù)系的RobertReinfelder于2004年提交的工學(xué)博士學(xué)位論文 "Reaktionskinetische Untersuchungen zur Methan-Damf-Reformierung und Sfift-Reaktion an Anoden oxidkeramischer Brennstoffzellen" 中，其中 作為第一個(gè)提及的甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，相反，作為第二個(gè)提及 的轉(zhuǎn)移反應(yīng)則是放熱的。
在 文 章 "Reformiemng von Kohlenwasserstoffen zur Wasserstofferzeugung fiir Brennstoffzellen " , Dr.-Ing. Peter Hiiber, Fraunhofer-Institut fiir Solare Energiesysteme ISE中作為三種產(chǎn)生氫的可 能性也描述了與水蒸汽相關(guān)的烴的蒸汽轉(zhuǎn)化產(chǎn)生氫和 一 氧化碳以及部 分氧化即欠化學(xué)計(jì)量燃燒過程，和作為該兩前述方法組合的自熱轉(zhuǎn)化過程。
用于制備燃料電池用的燃料的轉(zhuǎn)化反應(yīng)也在"Brennstoffzellen in der Kraft-Warme謂Kopplung- eine Energieoption fiir die Zukunft ，， ， Ludwig Jdrissen等人，F(xiàn)orschungsverbund Sonnenenergie "Themen 98/99" 中提及。
含高級(jí)烴的燃料通過催化水蒸汽轉(zhuǎn)化的自熱轉(zhuǎn)化方法還記載于EP
0989094 A2中。這時(shí)首先使該含烴燃料通過含催化劑的反應(yīng)器，在有水
蒸汽存在下去除或還原該高級(jí)烴，然后再導(dǎo)入自熱轉(zhuǎn)化器中，然后從中 排出其中形成的富含氫和一氧化碳的產(chǎn)物氣體。
最后，在JP 6325783中描述了在熔態(tài)碳酸鹽燃料電池系統(tǒng)中的內(nèi)轉(zhuǎn) 化，其中配置有作為熱交換器的預(yù)轉(zhuǎn)化器，在該預(yù)轉(zhuǎn)化器中在燃料電池 廢氣和含碳數(shù)為2或更高的烴之間的熱交換，即在熱從離開燃料電池的 廢氣傳給送入的燃料氣體的條件下，發(fā)生蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)。因此可應(yīng)用烴 如丁烷或其它輕質(zhì)烴作為燃料氣體，這時(shí)經(jīng)轉(zhuǎn)化的氣體的體積明顯大于 曱烷轉(zhuǎn)化時(shí)的體積。
本發(fā)明的目的在于提供一種用于運(yùn)行燃料電池裝置的改進(jìn)方法，該 方法可運(yùn)行具有較高功率密度的燃料電池。此外，還應(yīng)提供一種可運(yùn)行 具有較高功率密度的燃料電池的燃料電池裝置。
在方法上本發(fā)明的目的是通過具有權(quán)利要求1的特征的方法實(shí)現(xiàn)的。
在設(shè)備上本發(fā)明的目的是通過具有權(quán)利要求6的特征的燃料電池裝
置實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明的各有利實(shí)施方案和方法擴(kuò)展列于從屬權(quán)利要求中。
置的方法，在該方法中，在與燃料電池呈熱接觸存在的第一轉(zhuǎn)化設(shè)備中，
^電池的陽;及。"按本發(fā)二，在第一轉(zhuǎn)化設(shè)備中要產(chǎn)生多于1燃料電:中: 可轉(zhuǎn)化的或所需的氬，并且一部分含氬的經(jīng)轉(zhuǎn)化的燃料氣體從第一轉(zhuǎn)化 設(shè)備排出并導(dǎo)入第二轉(zhuǎn)化設(shè)備，含在導(dǎo)入的轉(zhuǎn)化燃料氣體中的氬在第二 轉(zhuǎn)化設(shè)備中經(jīng)歷放熱的逆反應(yīng)，并且其中放出的熱通過冷卻該第二轉(zhuǎn)化 設(shè)備而導(dǎo)出。
氣體一起送入第二轉(zhuǎn)化設(shè)備。
優(yōu)選在第 一轉(zhuǎn)化設(shè)備中發(fā)生的吸熱反應(yīng)包括下列反應(yīng)
CH4 + H20 <—->CO + 3H2和 CO + H20 <—->C02 + H2,
優(yōu)選在第二轉(zhuǎn)化設(shè)備中發(fā)生的放熱逆反應(yīng)包括下列反應(yīng):
4H2 + C02 <—->CH4+2H20。
按本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，要通過冷卻強(qiáng)度以調(diào)節(jié)溫度來控制在第 二轉(zhuǎn)化設(shè)備中的逆反應(yīng)。
呈熱接觸存在的第 一轉(zhuǎn)l設(shè)備的燃料電池裝置,'其中在第 一轉(zhuǎn)化:設(shè)備中,
電池的陽極。按本發(fā)明，配置第一轉(zhuǎn)化設(shè)備以產(chǎn)生多于在燃料電池中可 轉(zhuǎn)化的氫，并配置可冷卻的第二轉(zhuǎn)化設(shè)備， 一部分含氫的經(jīng)轉(zhuǎn)化的燃料 氣體從第一轉(zhuǎn)化設(shè)備排出并導(dǎo)入第二轉(zhuǎn)化設(shè)備，含于導(dǎo)入的轉(zhuǎn)化燃料氣
體中的氫在第二轉(zhuǎn)化設(shè)備中經(jīng)歷放熱的逆反應(yīng)，并且放出的熱通過冷卻 第二轉(zhuǎn)化設(shè)備而導(dǎo)出。
優(yōu)選該第二轉(zhuǎn)化設(shè)備是用于一起接受從第一轉(zhuǎn)化設(shè)備排出的燃料 氣體和外部新導(dǎo)入的燃料氣體的預(yù)轉(zhuǎn)化器。
優(yōu)選配置用于將從第 一 轉(zhuǎn)化設(shè)備中排出的燃料氣體返回到第二轉(zhuǎn) 化設(shè)備的輸送設(shè)備。
用于將從第 一 轉(zhuǎn)化設(shè)備中排出的燃料氣體返回到第二轉(zhuǎn)化設(shè)備的 輸送設(shè)備可以是泵或側(cè)通道壓縮機(jī)。
按本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方案，配置第二轉(zhuǎn)化設(shè)備，以通過冷卻強(qiáng) 度調(diào)節(jié)溫度來控制逆反應(yīng)。
下面依


本發(fā)明的實(shí)施例。
該附圖示出本發(fā)明實(shí)施例的方塊圖。
圖中示出的燃料電池裝置包括呈組件1安裝的燃料電池2，在圖中 以圖示僅示出其中 一個(gè)燃料電池，并且其用于從圖中箭頭所示的外部導(dǎo) 入的燃料氣體和圖中未示出的氧化氣體產(chǎn)生電流。第 一 內(nèi)轉(zhuǎn)化設(shè)備4與 燃料電池2呈熱接觸存在，在圖中也僅示出其中一個(gè)轉(zhuǎn)化設(shè)備4。在內(nèi) 轉(zhuǎn)化設(shè)備4中，燃料氣體以吸熱反應(yīng)吸收燃料電池2的熱量而部分轉(zhuǎn)變
成氫，然后進(jìn)入燃料電池2的陽極。將燃料氣體經(jīng)呈預(yù)轉(zhuǎn)化器3形式的 第二轉(zhuǎn)化設(shè)備送入內(nèi)轉(zhuǎn)化設(shè)備4,在預(yù)轉(zhuǎn)化器3中，從外部導(dǎo)入的燃料 氣體首先以已知的方式被甲烷化。
配置內(nèi)轉(zhuǎn)化設(shè)備4以產(chǎn)生多于在燃料電池2中可轉(zhuǎn)變的氫。預(yù)轉(zhuǎn)化 器3可以被冷卻。 一部分含氬的經(jīng)轉(zhuǎn)化的燃料氣體從內(nèi)轉(zhuǎn)化設(shè)備4排出 并返回到預(yù)轉(zhuǎn)化器3，含于導(dǎo)入的轉(zhuǎn)化燃料氣體中的氫在轉(zhuǎn)化器3中經(jīng) 歷放熱的逆反應(yīng)，并且》丈出的熱通過冷卻該預(yù)轉(zhuǎn)化器3而導(dǎo)出。在所示 實(shí)施例中配置預(yù)轉(zhuǎn)化器3以接受從內(nèi)轉(zhuǎn)化設(shè)備4排出的燃料氣體和外部 新導(dǎo)入的燃料氣體。
配置輸送設(shè)備5用于將從第一轉(zhuǎn)化設(shè)備4中排出的燃料氣體返回到 第二轉(zhuǎn)化設(shè)備3，該輸送設(shè)備可為泵或側(cè)通道壓縮機(jī)。
配置可冷卻的預(yù)轉(zhuǎn)化器3,以通過冷卻強(qiáng)度而調(diào)節(jié)溫度來調(diào)節(jié)逆反 應(yīng)的強(qiáng)度和進(jìn)程，即調(diào)節(jié)其中轉(zhuǎn)化的氣體的組成。
在本發(fā)明方法中，在內(nèi)轉(zhuǎn)化設(shè)備4中產(chǎn)生多于在燃料電池2中可轉(zhuǎn) 變的氬， 一部分含氫的經(jīng)轉(zhuǎn)化的燃料氣體從內(nèi)轉(zhuǎn)化設(shè)備4排出并返回到 預(yù)轉(zhuǎn)化器3。含于返回的轉(zhuǎn)化燃料氣體中的氫在轉(zhuǎn)化器3中經(jīng)歷放熱的 逆反應(yīng)，并且放出的熱通過冷卻預(yù)轉(zhuǎn)化器3而導(dǎo)出。通過在內(nèi)轉(zhuǎn)化設(shè)備
熱通過在預(yù)轉(zhuǎn)化器3中的放熱過程經(jīng)冷卻該預(yù)轉(zhuǎn)化器3而排出。以此方 法實(shí)現(xiàn)了燃料電池組件1的有效冷卻，這可提高在燃料電池2中所轉(zhuǎn)變 的能量的功率密度。
入預(yù)轉(zhuǎn)化器3。
在內(nèi)轉(zhuǎn)化設(shè)備4中發(fā)生的吸熱反應(yīng)可包括下列反應(yīng)
CH4 + H2〇<-—>CO + 3H2和 CO + H20 <—->C02 + H2。
在預(yù)轉(zhuǎn)化器3中發(fā)生的放熱反應(yīng)可包括下列反應(yīng):
4H2 + C02 <—->CH4+2H20。
在預(yù)轉(zhuǎn)化器3中的逆反應(yīng)控制，即逆反應(yīng)的強(qiáng)度和進(jìn)程和其中經(jīng)轉(zhuǎn) 變的氣體的組成的控制是通過冷卻強(qiáng)度而調(diào)節(jié)溫度來實(shí)現(xiàn)的。
權(quán)利要求
1.一種用于運(yùn)行含呈組件(1)安裝的燃料電池(2)的燃料電池裝置的方法，其中，在與燃料電池(2)呈熱接觸存在的第一轉(zhuǎn)化設(shè)備(4)中，燃料氣體在吸熱反應(yīng)中吸收燃料電池(2)的熱而部分轉(zhuǎn)變成氫并進(jìn)入燃料電池(2)的陽極，其特征在于，在第一轉(zhuǎn)化設(shè)備(4)中產(chǎn)生多于在燃料電池(2)中所需的氫，并且一部分含氫的經(jīng)轉(zhuǎn)化的燃料氣體從第一轉(zhuǎn)化設(shè)備(4)排出并導(dǎo)入第二轉(zhuǎn)化設(shè)備(3)，含在導(dǎo)入的轉(zhuǎn)化燃料氣體中的氫在第二轉(zhuǎn)化設(shè)備(3)中經(jīng)歷放熱的逆反應(yīng)，其中放出的熱通過冷卻第二轉(zhuǎn)化設(shè)備(3)而導(dǎo)出。
2. 權(quán)利要求1的方法，其特征在于，從第一轉(zhuǎn)化設(shè)備(4)排出的燃料 氣體與從外部新導(dǎo)入的燃料氣體一起送入第二轉(zhuǎn)化設(shè)備(3)。
3. 權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，在第一轉(zhuǎn)化設(shè)備(4)中發(fā)生 的吸熱反應(yīng)包4舌下列反應(yīng)CH4 + H20 <-—> CO + 3H2和 CO + H20 <-—>C02 + H2。
4.權(quán)利要求1、 2或3的方法, 發(fā)生的放熱反應(yīng)包括下列反應(yīng)其特征在于，在第二轉(zhuǎn)化設(shè)備(3)中4H2 + C02 <-—>CH4+2H2〇。
5.權(quán)利要求1 - 4之一的方法,其特征在于，對(duì)第二轉(zhuǎn)化設(shè)備(3)中的逆反應(yīng)的控制通過由冷卻強(qiáng)度來調(diào)節(jié)溫度而實(shí)現(xiàn)。
6. —種含呈組件(1)安裝的燃料電池(2)和含與燃料電池(2)呈熱接 觸存在的第 一轉(zhuǎn)化設(shè)備(4)的燃料電池裝置，其中在第一轉(zhuǎn)化設(shè)備(4)中，i電池(2)的;日;及，其;征在';于，配置第一'轉(zhuǎn)化設(shè)備(4)以產(chǎn)i多于在燃^電池(2)中所需的氬，并配置可冷卻的第二轉(zhuǎn)化設(shè)備(3), —部分含氫的 經(jīng)轉(zhuǎn)化的燃料氣體從第一轉(zhuǎn)化設(shè)備(4)排出并導(dǎo)入第二轉(zhuǎn)化設(shè)備(3),含 于導(dǎo)入的轉(zhuǎn)化燃料氣體中的氫在第二轉(zhuǎn)化設(shè)備(3)中經(jīng)歷放熱的逆反應(yīng)， 其中放出的熱通過冷卻第二轉(zhuǎn)化設(shè)備(3)而導(dǎo)出。
7. 權(quán)利要求6的燃料電池裝置，其特征在于，第二轉(zhuǎn)化設(shè)備(3)是用 于 一起接受從第 一轉(zhuǎn)化設(shè)備(4)排出的燃料氣體和外部新導(dǎo)入的燃料氣 體的預(yù)轉(zhuǎn)化器。
8. 權(quán)利要求6或7的燃料電池裝置，其特征在于，配置輸送設(shè)備(5) 用于將從第 一轉(zhuǎn)化設(shè)備(4)中排出的燃料氣體返回到第二轉(zhuǎn)化設(shè)備(3)。
9. 權(quán)利要求8的燃料電池裝置，其特征在于，用于將從第一轉(zhuǎn)化設(shè) 備(4)中排出的燃料氣體返回到第二轉(zhuǎn)化設(shè)備(3)的輸送設(shè)備(5)是泵或 側(cè)通道壓縮才幾。
10. 權(quán)利要求6、 7、 8或9的燃料電池裝置，其特征在于，配置第 二轉(zhuǎn)化設(shè)備(3)以通過冷卻強(qiáng)度調(diào)節(jié)溫度來控制逆反應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于運(yùn)行含呈組件(1)安裝的燃料電池(2)的燃料電池裝置的方法以及該燃料電池裝置，其中，在與燃料電池(2)呈熱接觸存在的第一轉(zhuǎn)化設(shè)備(4)中，燃料氣體在吸熱反應(yīng)中吸收燃料電池(2)的熱而部分轉(zhuǎn)變成氫并進(jìn)入該燃料電池(2)的陽極。按本發(fā)明，在第一轉(zhuǎn)化設(shè)備(4)中產(chǎn)生多于在燃料電池(2)中所需的氫，并且一部分含氫的經(jīng)轉(zhuǎn)化的燃料氣體從第一轉(zhuǎn)化設(shè)備(4)排出并導(dǎo)入第二轉(zhuǎn)化設(shè)備(3)，含在導(dǎo)入的轉(zhuǎn)化燃料氣體中的氫在第二轉(zhuǎn)化設(shè)備(3)中經(jīng)歷放熱的逆反應(yīng)，其中放出的熱通過冷卻第二轉(zhuǎn)化設(shè)備(3)而導(dǎo)出。
文檔編號(hào)H01M8/06GK101171716SQ200680015752
公開日2008年4月30日 申請(qǐng)日期2006年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月12日
發(fā)明者A·吉納普, M·貝德納茨, S·羅爾夫 申請(qǐng)人:Cfc解決方案有限責(zé)任公司